高中生物（必选3）2.2固定化酶和固定化细胞技术知识点

高中生物（必选3）2.2固定化酶和固定化细胞技术知识点整理一、核心知识点梳理知识点1：固定化酶和固定化细胞技术的概念与核心目的概念：固定化酶是指利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术；固定化细胞是指将细胞固定在一定空间内的技术，细胞内含有多种酶，可催化一系列连续的化学反应。核心目的：①实现酶的重复利用，降低生产成本；②提高酶的稳定性，减少外界环境对酶活性的影响；③便于酶与产物分离，提高产物纯度；④固定化细胞可实现多步反应连续进行，提高反应效率。知识点2：常用固定化方法及特点常用固定化方法主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法，三者的适用对象、原理及特点如下：固定化方法适用对象核心原理优点缺点包埋法细胞（体积大）、酶（体积小但可采用凝胶包埋）将细胞或酶包埋在不溶于水的多孔性载体中（如海藻酸钠凝胶、琼脂糖等）操作简单、对酶活性影响小、可实现细胞的多步催化载体通透性可能影响底物和产物扩散，不适用于大分子底物化学结合法酶（体积小）利用化学键将酶与载体（如纤维素、葡聚糖等）结合结合牢固、酶利用率高操作复杂、可能破坏酶的活性中心，影响酶活性物理吸附法酶（体积小）利用物理吸附作用（如范德华力、氢键）将酶吸附在载体（如活性炭、硅藻土等）表面操作简单、条件温和、对酶活性影响小结合不牢固，酶易脱落，稳定性较差关键结论：细胞体积大，难以被化学结合或物理吸附，故固定化细胞常用包埋法；酶分子体积小，可采用化学结合法、物理吸附法，也可采用包埋法（需选用合适载体）。知识点3：固定化酶与固定化细胞的比较对比项目固定化酶固定化细胞催化底物多为小分子底物（大分子底物难以接触酶活性中心）可催化小分子底物，也可通过细胞通透性调节催化反应（但大分子底物仍受限制）催化反应单一反应（一种酶催化一种反应）连续多步反应（细胞内多种酶协同作用）优点针对性强、产物纯度高、酶活性易调控成本低、操作简单、可实现多步连续催化、细胞可重复利用缺点只能催化单一反应、酶的分离提纯成本高细胞内酶活性受细胞代谢影响、产物可能含细胞代谢杂质典型应用高果糖浆制备（固定化葡萄糖异构酶）污水处理（固定化微生物细胞降解污染物）、酒精发酵（固定化酵母细胞）知识点4：固定化细胞技术的核心应用1.工业生产：①酿酒工业（固定化酵母细胞发酵生产酒精）；②食品工业（固定化乳酸菌生产酸奶、固定化醋酸菌生产醋酸）；③制药工业（固定化微生物细胞生产抗生素、氨基酸等）。2.环境治理：固定化降解菌（如假单胞菌、芽孢杆菌）处理含酚、含重金属、含石油等污染物的废水，实现污染物的生物降解。3.医学领域：固定化细胞（如胰岛细胞）用于治疗糖尿病，可缓慢释放胰岛素；固定化酶（如固定化脲酶）用于检测血液中尿素含量，辅助诊断肾病。知识点5：制备固定化酵母细胞的实验步骤及注意事项实验原理：采用包埋法，将酵母细胞包埋在海藻酸钠凝胶珠中，海藻酸钠在CaCl₂溶液中会发生聚沉，形成稳定的凝胶珠，将酵母细胞固定在其中。核心步骤：酵母细胞的活化：将干酵母加入温水中（30℃左右），搅拌均匀，静置10-15分钟，使酵母细胞恢复活性（本质是让休眠的酵母细胞吸水复苏）。配制海藻酸钠溶液：将海藻酸钠加入蒸馏水中，小火加热并不断搅拌，直至海藻酸钠完全溶解（避免焦糊，若有沉淀需过滤），冷却至室温（防止高温杀死酵母细胞）。混合酵母细胞与海藻酸钠溶液：将活化后的酵母细胞悬液加入冷却后的海藻酸钠溶液中，轻轻搅拌均匀（避免产生气泡，气泡会导致凝胶珠结构不完整）。制备凝胶珠：用注射器或滴管将混合液缓慢滴入CaCl₂溶液中，形成球形凝胶珠（滴加速度适中，距离液面2-3cm，便于形成均匀小球）。洗涤与培养：将凝胶珠捞出，用蒸馏水洗涤2-3次（去除残留的CaCl₂，避免影响发酵），然后放入适宜条件下培养（如25℃、无氧环境培养酵母细胞发酵）。注意事项：海藻酸钠浓度过高：凝胶珠质地过硬、不易形成球形，且通透性差，底物难以进入；浓度过低：凝胶珠质地松软、易破裂，酵母细胞易脱落。CaCl₂溶液的作用：使海藻酸钠发生聚沉，形成稳定的凝胶珠，其浓度和处理时间会影响凝胶珠的稳定性（浓度过高，凝胶珠过硬；浓度过低，凝胶珠易溶解）。温度控制：活化酵母细胞的温度、海藻酸钠溶液冷却温度均需控制在30℃左右，避免高温杀死酵母细胞。二、各知识点配套练习题及答案解析练习题组1：固定化酶和固定化细胞的概念与核心目的题目：下列关于固定化酶技术的叙述，错误的是（）

A.固定化酶可实现酶的重复利用

B.固定化酶可提高酶的稳定性

C.固定化酶能降低产物的纯度

D.固定化酶的核心目的是降低生产成本

答案：C

解析：固定化酶的核心目的包括实现酶的重复利用（降低生产成本）、提高酶的稳定性、便于酶与产物分离，从而提高产物纯度（避免酶混入产物）。选项C中“降低产物纯度”表述错误，其余选项均正确。题目：固定化细胞技术与固定化酶技术相比，其突出优点是（）

A.可催化单一反应

B.可实现多步连续催化反应

C.产物纯度更高

D.酶的分离提纯成本低

答案：B

解析：固定化细胞内含有多种酶，可实现多步连续催化反应（如酵母细胞内的酶可催化葡萄糖→丙酮酸→酒精的连续反应），这是其相较于固定化酶（仅能催化单一反应）的突出优点。选项A是固定化酶的特点，选项C中固定化细胞产物可能含细胞代谢杂质，纯度低于固定化酶，选项D并非固定化细胞最突出的优点，其核心优势是连续多步催化。题目：简述固定化酶和固定化细胞技术的共同核心目的。

答案：①实现酶（或细胞内酶）的重复利用，降低生产成本；②提高酶的稳定性，减少外界环境（如温度、pH）对酶活性的影响；③便于酶与产物分离，提高产物纯度。

解析：两者的核心目的均围绕“提高酶的利用效率、降低成本、优化产物分离”，固定化细胞本质是固定细胞内的多种酶，因此共同目的需涵盖酶的重复利用、稳定性提升及产物分离便捷性三个核心层面。练习题组2：常用固定化方法及特点题目：下列固定化方法中，最适合用于固定化酵母细胞的是（）

A.化学结合法

B.物理吸附法

C.包埋法

D.以上三种均可

答案：C

解析：酵母细胞体积较大，难以通过化学结合法（需化学键连接）或物理吸附法（需吸附在载体表面）固定，且这两种方法可能对细胞结构造成破坏；包埋法可将细胞包埋在多孔载体（如海藻酸钠凝胶）中，操作简单且对细胞活性影响小，是固定化细胞的常用方法。题目：关于化学结合法固定化酶的叙述，正确的是（）

A.操作简单，对酶活性影响小

B.结合牢固，酶不易脱落

C.适用于固定化体积较大的细胞

D.载体多为多孔性凝胶材料

答案：B

解析：化学结合法利用化学键将酶与载体结合，其优点是结合牢固、酶利用率高，缺点是操作复杂、可能破坏酶的活性中心（对酶活性影响较大），故A错误；化学结合法适用于体积小的酶，不适用于体积大的细胞，C错误；包埋法的载体多为多孔性凝胶材料（如海藻酸钠），化学结合法的载体多为纤维素、葡聚糖等，D错误。题目：对比物理吸附法和包埋法固定化酶的优缺点（简要回答）。

答案：①物理吸附法优点：操作简单、条件温和、对酶活性影响小；缺点：结合不牢固，酶易脱落，稳定性差。②包埋法优点：操作简单、对酶活性影响小，可固定多种酶；缺点：载体通透性可能影响底物和产物扩散，不适用于大分子底物。

解析：需从操作难度、对酶活性的影响、结合稳定性、适用底物类型等核心维度对比，突出两种方法的核心差异（物理吸附法结合不牢，包埋法受载体通透性限制）。题目：下列关于固定化方法的说法，错误的是（）

A.包埋法的载体需具备不溶于水、多孔性的特点

B.物理吸附法依赖于载体与酶之间的化学键作用

C.化学结合法可能导致酶活性下降

D.细胞固定化常用包埋法，酶固定化可采用多种方法

答案：B

解析：物理吸附法依赖于载体与酶之间的物理作用（如范德华力、氢键），而非化学键作用，化学键作用是化学结合法的核心原理，故B错误；包埋法载体需不溶于水且多孔，才能容纳酶或细胞并允许底物和产物扩散，A正确；化学结合法可能破坏酶的活性中心，导致酶活性下降，C正确；细胞体积大常用包埋法，酶体积小可采用化学结合法、物理吸附法或包埋法，D正确。练习题组3：固定化酶与固定化细胞的比较题目：在高果糖浆的制备过程中，常采用固定化葡萄糖异构酶，而非固定化酵母细胞，其主要原因是（）

A.固定化酶成本更低

B.固定化酶可催化单一反应，产物纯度高

C.固定化酵母细胞无法催化葡萄糖转化为果糖

D.固定化酶稳定性更强

答案：B

解析：高果糖浆制备的核心是将葡萄糖转化为果糖，仅需葡萄糖异构酶催化这一单一反应。固定化酶可针对性催化该反应，产物纯度高（无细胞代谢杂质）；而固定化酵母细胞内含有多种酶，会催化葡萄糖发生多种反应（如发酵产生酒精），导致产物不纯。选项A错误（固定化酶分离提纯成本高），选项C错误（酵母细胞内无葡萄糖异构酶，无法催化该反应，但核心原因是产物纯度问题），选项D并非主要原因。题目：下列应用中，适合采用固定化细胞技术的是（）

A.检测血液中尿素含量

B.生产单一氨基酸

C.污水处理中降解多种污染物

D.制备高果糖浆

答案：C

解析：污水处理中需降解多种污染物（如酚类、石油类），固定化微生物细胞内含有多种降解酶，可实现多步连续催化，适合采用固定化细胞技术。选项A（固定化脲酶）、B（固定化特定氨基酸合成酶）、D（固定化葡萄糖异构酶）均需单一酶催化，适合采用固定化酶技术。题目：列表对比固定化酶与固定化细胞在催化反应类型、产物纯度及典型应用方面的差异。

答案：

对比项目固定化酶固定化细胞催化反应类型单一反应连续多步反应产物纯度高（无细胞代谢杂质）较低（可能含细胞代谢产物）典型应用高果糖浆制备、血液尿素检测污水处理、酒精发酵

解析：核心差异源于“单一酶”与“多种酶（细胞内）”的本质区别，催化反应类型决定了应用场景，而细胞代谢则影响产物纯度，需围绕这一核心逻辑梳理差异。练习题组4：固定化细胞技术的核心应用题目：固定化酵母细胞可用于酿酒，其优势不包括（）

A.酵母细胞可重复利用

B.可实现连续发酵

C.产物酒精纯度更高

D.降低生产成本

答案：C

解析：固定化酵母细胞酿酒的优势包括细胞可重复利用（降低成本）、可实现连续发酵（提高效率）；但酵母细胞内含有多种酶，可能产生少量代谢杂质（如乙酸），导致酒精纯度不如固定化酶催化的单一反应，故C不属于其优势。题目：在环境治理中，固定化降解菌处理废水的原理是（）

A.降解菌吸附废水中的污染物

B.降解菌产生的酶催化污染物分解

C.载体材料吸附污染物

D.降解菌直接吞噬污染物

答案：B

解析：固定化降解菌处理废水的核心是利用细胞内的降解酶催化污染物（如酚类、重金属络合物）分解为无害物质，并非降解菌吸附或吞噬污染物，也不是载体材料的吸附作用，故B正确。题目：简述固定化细胞技术在医学领域的一项应用及原理。

答案：应用：固定化胰岛细胞治疗糖尿病。原理：将胰岛细胞固定在适宜载体中，植入患者体内，胰岛细胞可缓慢释放胰岛素，调节血糖浓度；固定化可实现胰岛细胞的重复利用（或提高细胞稳定性），避免细胞被机体免疫细胞破坏。

解析：医学领域的应用需结合“固定化细胞可连续产生特定物质”的特点，胰岛细胞分泌胰岛素、固定化脲酶检测尿素均为典型应用，需明确“固定化”的作用（提高稳定性、便于控制释放）及核心原理（细胞功能的保留与调控）。题目：下列关于固定化细胞应用的说法，正确的是（）

A.固定化乳酸菌可用于生产酸奶，且可实现连续生产

B.固定化细胞技术仅适用于微生物细胞，不适用于动物细胞

C.固定化细胞处理废水时，载体通透性对处理效率无影响

D.固定化细胞生产的产物均为细胞代谢的初级产物

答案：A

解析：固定化乳酸菌可重复利用，实现酸奶的连续生产，A正确；固定化细胞技术可用于动物细胞（如固定化胰岛细胞）、植物细胞（如固定化植物细胞生产生物碱），B错误；载体通透性影响底物进入和产物排出，直接影响处理效率，C错误；固定化细胞生产的产物可包括初级产物（如酒精）和次级产物（如抗生素），D错误。练习题组5：制备固定化酵母细胞的实验步骤及注意事项题目：在制备固定化酵母细胞时，活化酵母细胞的目的是（）

A.使酵母细胞增殖

B.使酵母细胞恢复活性，具备发酵能力

C.使酵母细胞适应海藻酸钠溶液

D.使酵母细胞与载体结合更牢固

答案：B

解析：干酵母处于休眠状态，活化是指将其加入温水中，使细胞吸水复苏，恢复活性（具备催化葡萄糖发酵的能力），并非为了增殖、适应海藻酸钠或增强与载体的结合，故B正确。题目：下列关于制备固定化酵母细胞实验的叙述，错误的是（）

A.海藻酸钠溶液需小火加热并不断搅拌，防止焦糊

B.海藻酸钠溶液冷却后再加入酵母细胞，避免高温杀死细胞

C.将混合液滴入CaCl₂溶液中时，滴加速度越快越好

D.凝胶珠需用蒸馏水洗涤，去除残留的CaCl₂

答案：C

解析：将混合液滴入CaCl₂溶液时，滴加速度需适中（距离液面2-3cm），若滴加速度过快，会导致凝胶珠大小不均、形状不规则；滴加速度过慢，凝胶珠易过大，通透性差。其余选项均为实验关键注意事项，表述正确。题目：若制备的固定化酵母细胞凝胶珠质地过硬、不易破裂，可能的原因是什么？如何改进？

答案：可能原因：海藻酸钠浓度过高；CaCl₂溶液浓度过高或处理时间过长。改进措施：①降低海藻酸钠溶液浓度，重新配制；②降低